Прогностическое кодирование

В коммуникационной системе высока информационная ценность изменений, независимо от того, происходят они в пространстве или во времени. Изображение с равномерной интенсивностью несет мало информации, так же как и сигнал, который не меняется. Датчики, посылающие сигналы в мозг, в основном сообщают об изменениях, как мы уже видели на примере сетчатки в главе 5 и DVS-камеры Тоби Дельбрюка в главе 14. Когда изображение стабилизируется на сетчатке, оно исчезает через несколько секунд. Мы не осознаем, что несколько раз в секунду наше глазное яблоко делает едва уловимые движения, называемые микросаккадами. Каждый такой рывок обновляет внутреннюю модель мира.

Когда что-то движется в поле зрения, сетчатка должным образом сообщает об этом вверх по цепочке, что также используется для обновления картины мира. Процесс проиллюстрирован на рис. 15.5. Модель в мозге иерархическая, и сравнение между поступающей сенсорной информацией и ожиданиями модели идет на нескольких уровнях. Яркая вспышка или громкий звук немедленно привлекают ваше внимание. Но если вы заметили, что что-то на вашем столе изменилось, это будет представлено на гораздо более высоком уровне путем нисходящего сравнения с памятью. Все это происходит в мозге в реальном времени, и Карвер Мид часто повторял, что в мозге «время – его собственное представление».

Рис. 15.5. Прогностическое кодирование. Упрощенная схема прохождения сигнала на одном уровне нейронной системы обработки. Модель получает входной сигнал и должна предсказать следующий; прогноз сравнивается с фактическим появлением входного сигнала. Когда модель точно предсказывает входные данные, информация не передается на следующий уровень, но когда модель не может предсказать входные данные, разница передается следующему слою и используется для корректировки модели. Эта операция отфильтровывает ожидаемые события на низких уровнях, позволяя центрам уровнями выше сосредоточиться на более многообещающих

Прогностическое кодирование восходит к Гельмгольцу, который объяснил зрение как бессознательное умозаключение или формирование визуальной информации по нисходящей для отбрасывания шумов, достраивание неполной информации и интерпретацию увиденного. Например, размер человека на сетчатке нашего глаза сигнализирует о том, насколько человек далеко, так как нам известны его габариты и по опыту вы знаете, как размер на сетчатке изменяется с расстоянием. На более высоком когнитивном уровне Макклелланд и Румельхарт обнаружили, что, когда буквы расположены в слове, испытуемые определяют их быстрее, чем буквы в псевдословах без смысловой нагрузки. Их модель параллельной обработки продемонстрировала аналогичное поведение, дав им уверенность в том, что они на правильном пути к пониманию того, как информация представлена в мозге.

Глобальный мозг

Мозг – это непревзойденная информационная машина. Американская правительственная программа BRAIN, запущенная 2 апреля 2013 года (рис. 15.6), направлена на создание новых нейротехнологий для ускорения темпов прогресса в понимании работы и проблем мозга. Как NIPS собрала исследователей из многих дисциплин для разработки обучающих машин, так программа BRAIN привлекает инженеров, математиков и физиков в нейробиологию, чтобы улучшить инструменты для исследования мозга. По мере того как мы узнаем больше о мозге и особенно о механизмах, лежащих в основе обучения и памяти, мы начинаем гораздо лучше понимать принципы работы мозга.

Хотя о мозге многое известно на молекулярном и клеточном уровнях, мы еще не недостаточно хорошо понимаем, как мозг организован в бо́льших пространственных масштабах. Мы знаем, что разные типы информации хранятся в разных частях коры, но не знаем, как такая разрозненная информация извлекается для решения сложной задачи, например, соотнесение имени человека с изображением его лица. Этот вопрос тесно связан с происхождением сознания в мозге. Сотрудники моей лаборатории недавно выявили глобальные закономерности активности в мозге спящего человека, которые могут дать нам представление о том, как части информации, распределенные в коре, связаны между собой.

Рис. 15.6. Снимок сделан в Белом доме незадолго до объявления о старте проекта BRAIN 2 апреля 2013 года. Представители организаций-участников (справа налево): Миён Чун, директор по науке Фонда Кавли, инициатор проекта; Уильям Ньюсом, сопредседатель консультативного комитета Национального института здравоохранения США по проекту BRAIN; Фрэнсис Коллинз, директор Национального института здравоохранения США; Джеральд Рубин, вице-президент Медицинского института Говарда Хьюза и исполнительный директор Исследовательского городка Джанелия; Кора Марретт, директор Национального научного фонда; Барак Обама, президент США; Эми Гутманн, председатель президентского комитета по биоэтике; Роберт Конн, президент Фонда Кавли; Арати Прабхакар, директор Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США; Алан Джонс, исполнительный директор Алленовского института исследования мозга; Терри Сейновски, институт Солка

Рис. 15.7. Вращающиеся электрические волны в коре головного мозга человека. Записи с сетки электродов 8×8 на кортикальной поверхности во время веретен сна, которые участвуют в закреплении воспоминаний. Слева: веретена (сигма-ритм) – круговые волны, которые, если смотреть сбоку, проходят в коре головного мозга в направлении, указанном стрелкой, совершая цикл каждые 80 миллисекунд. Цикл многократно повторяется в течение ночи. Справа: маленькие стрелки показывают направление максимального нарастания фазы бегущей волны на 64 участках записи на поверхности коры

Между фазами медленного восстановительного сна и быстрого сна, сопровождающегося сновидениями, есть промежуточная стадия, когда в кортикальной активности преобладают высокосинхронизированные пространственно-временные колебания, называемые веретенами сна. Эти колебания частотой 10–14 Гц длятся несколько секунд и повторяются тысячи раз в течение ночи. Экспериментально доказано, что веретена сна участвуют в консолидации памяти, пока вы спите. На записях биотоков коры мозга мы с Лайлом Мюллером, Эриком Халгреном и Сидом Кэшем обнаружили, что веретена сна – это единые круговые волны электрической активности, которые проносятся через все секторы коры (рис. 15.7). Мы назвали их волнами принцессы Леи, потому что они выглядят как ее прическа (рис. 15.8). Мы предположили, что веретена сна могут быть способом, которым кора объединяет новую информацию, полученную в течение дня, с распределенными в ней предыдущими воспоминаниями через укрепление длинных связей между ними. Это один из многих проектов из области системной нейробиологии, реализованный в рамках правительственной программы BRAIN.

Рис. 15.8. Кэрри Фишер в роли принцессы Леи. Ее волосы, собранные в два пучка, напоминают круговое течение полей, циркулирующих в коре во время сна